BRPI0902196A2 - braçadeiras com fecho rápido de fixação de umbilicais para coluna de prospecção e produção de petróleo e gás - Google Patents

Abstract

Braçadeiras com fecho rápido de fixação de umbilicais para coluna de prospecção e produção de petróleo e gás. A presente invenção contempla uma nova braçadeira com fecho rápido manual para fixação de cabos elétricos, hidráulicos e pneumáticos - geralmente conhecidos pelo termo umbilicais - á coluna de prospecção/produção de petróleo e gás, incorporando características que otimizam seu desempenho para mar aberto e para inserção no tubo (casing), praticidade e segurança operacional. O objetivo principal da presente invenção é evitar o afrouxamento sob condições de serviço em águas profundas, o que acarretaria dano aos cabos e tubos fixados à coluna de prospecção/produção de petróleo e gás. Mais especificamente, as braçadeiras são constituídas por um corpo de borracha de poliuretano (1) e (11) dotado de cinta de poliéster (4) , sendo que nas das extremidades da cintas (1) são costurados elos do fecho rápido (3) onde são instalados roletes (6) e (8) cuja orientação é perpendicular áquela do eixo de inserção de um parafuso (2) que atravessa sucessivamente uma arruela de apoio (5), um rolete metálico (7) em forma de cilindro 1 que apresenta na sua porção central um orifício (7) dotado de rosca, que por sua vez é atravessado pelo referido parafuso (2), em cuja extremidade se dispõe um anel de travamento cónico (15), sendo que o referido rolete metálico (6) gira livremente dentro do elo (22) da cinta, permitindo com isso o giro da ordem de 1800 do conjunto de fechamento formado pelo parafuso (2), arruela de apoio (5) e anel de travamento cónico (15) sem que estes se separem do corpo (1) da braçadeira; sendo que o elo (3) possui ganchos que permitem o encaixe do rolete (8).

Description

Braçadeiras com fecho rápido de fixação de umbilicais para coluna de prospecçãoe produção de petróleo e gás.

A presente invenção contempla uma nova braçadeira parafixação de cabos elétricos, hidráulicos e pneumáticos - geralmente conhecidos pelotermo umbilicais - à coluna de prospecção/produção de petróleo e gás, incorporandocaracterísticas que otimizam seu desempenho, praticidade e segurança operacional. Oobjetivo principal da presente invenção é evitar o afrouxamento e também agilizar a suamontagem sob condições de serviço em águas profundas, o que acarretaria dano aoscabos e tubos fixados à coluna de prospecção/produção de petróleo e gás.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção revela uma braçadeira para fixação decabos elétricos, hidráulicos e/ou pneumáticos utilizados na exploração de poçosprodutores de petróleo e gás em mar aberto. O processo de prospecção/exploraçãoenvolve a fixação de múltiplos cabos a um elemento tipicamente vertical que os sustenta,conhecido no jargão técnico pelo termo riser e aqui denominado coluna deprospecção/produção. Idealmente, as braçadeiras utilizadas para a referida fixaçãodevem permitir uma montagem rápida e segura, evitar o afrouxamento dos cabos etolerar bem os esforços hidrodinâmicos que caracterizam o ambiente marinho.

ESTADO DA TÉCNICA

No estado da técnica atual, a indústria de prospecção eprodução de petróleo emprega condutos hidráulicos e também cabos elétricos queconectam a embarcação de perfuração (ou a plataforma de produção) à boca do poço,disposta no leito marinho. Estes cabos e condutos - conhecidos pela designaçãogenérica de umbilicais - ficam presos à coluna de prospecção/exploração por meio debraçadeiras. O trecho da instalação disposto abaixo do nível do leito marinho (ou seja,enterrado no fundo) é dotado de um casing ou camisa. Esta camisa é instalada quandoda perfuração do poço no leito marinho e é por dentro dela que passa a coluna deprodução/prospeção. No trecho da lâmina d'água a coluna de produção/prospeção ficaexposta à ação dos esforços hidrodinâmicos, mas no trecho enterrado no solo marinho acoluna caminha dentro da camisa. Neste trecho subterrâneo a camisa envolve a coluna.

As braçadeiras aqui discutidas ficam instaladas ao longo docomprimento da coluna de prospecção/exploração, com um determinado espaçamentoentre elas, sendo a instalação feita na superfície, antes do lançamento da coluna ao mar.

O espaçamento entre as braçadeiras é função direta5da quantidade de cabos fixados àcoluna, das condições marinhas típicas do local e da profundidade de exploração. Notrecho da lâmina d'água as braçadeiras mantêm os umbilicais presos à coluna, evitando oarraste pela ação hidrodinâmica, e no trecho subterrâneo (enterrado no leito marinho) asbraçadeiras protegem os umbilicais de danos mecânicos, tais como por exemplo aabrasão.

As condições operacionais de instalação das braçadeirassão bastantes críticas. Além do alto custo horário da operação, o espaço de trabalho ébastante limitado por conta das dimensões da plataforma para operações em mar aberto.Além disso, o operador só pode alcançar a coluna por um único lado, visto que amontagem é tipicamente feita empregando ferramentas do tipo aparafusadeira paraefetuar o aperto do parafuso de fechamento da braçadeira.

Em vista das condições operacionais, é desejável que ascaracterísticas da braçadeira favoreçam uma instalação rápida, segura e que garanta afixação dos cabos a longo prazo. Em função das proporções dimensionais(ocasionalmente a lâmina d'água a vencer é da ordem de 2 km) e dos diferentes índicesde elasticidade dos materiais envolvidos, a braçadeira deve suportar ainda esforços dearraste vertical dos cabos e deslocamento diferencial entre os diversos cabos e a coluna.

Idealmente, a braçadeira deverá estar adaptada para seropcionalmente montada numa coluna que será posteriormente inserida num tubo externo(casing ou camisa), sendo que nestas condições deverá assegurar a integridade doscabos e condutos durante a movimentação da coluna dentro da camisa.

As braçadeiras de acordo com o estado da técnicaapresentam alguns inconvenientes, que serão detalhados a seguir.

As braçadeiras aplicadas para no tubo para a região de maraberto e para inserção no tubo (casing) são do mesmo formato. As braçadeiras parainserção devem ter formato de modo a centralizar o tubo (casing) e as de mar aberto nãonecessitam de ter formato com essas características.

A disposição de múltiplos parafusos de fechamento numamesma braçadeira torna sua operação de instalação relativamente demorada e onerosa.Além disso, a configuração das peças e as características dos materiais de algumasbraçadeiras do estado da técnica fazem com que, quando do aperto descontrolado do(s)parafuso(s), surja o risco de afrouxamento ou até mesmo abertura da braçadeira, sendoque o efeito originalmente desejado era justamente o oposto.

A altura útil da braçadeira e o material do qual ela é feita sãofatores importantes para combater o afastamento dos cabos em relação à coluna. Valeconsiderar a ação dos esforços hidrodinâmicos que tendem a provocar o"embarrigamento" dos cabos por conta de sua flexão, cuja ocorrência é facilitada caso oscabos apresentem folgas exageradas (ou seja, estejam frouxos). Os esforços envolvidospodem provocar um fenômeno oscilatório com potencial desastroso para a resistência eeficiência operacional tanto da coluna quanto dos cabos. A rigidez da ligação entre abraçadeira e os cabos nem sempre é suficientemente grande para impedir de maneiraeficaz o afastamento do eixo do cabo em relação ao eixo da braçadeira.As ferramentas requeridas para a instalação do conjunto dabraçadeira deveriam idealmente ser leves e práticas, além de facilmente encontráveis nomercado.

Outro fator importante associado à altura útil é a aderênciada ligação entre a braçadeira e a coluna. Uma maior altura útil resulta em maioraderência ao tubo de produção, visto que a área total de contato entre a braçadeira e asuperfície externa do tubo de produção é maior. No estado da técnica, nem sempre oatrito gerado entre a braçadeira e a superfície da coluna é suficiente para evitar odesprendimento/escorregamento acidental da braçadeira.

Ainda examinando os fenômenos que relacionam o atritoentre as peças e a firmeza da ligação, algumas das braçadeiras do estado da técnicafazem uso de contato direto entre superfícies metálicas da braçadeira e a superfíciemetálica externa da coluna. Além do efeito de criação de uma pilha galvânica com oambiente salino, a rigidez da ligação fica condicionada à presença de possíveisirregularidades superficiais entre as faces metálicas em contato direto.

Finalmente, algumas das braçadeiras de acordo com oestado da técnica são relativamente pesadas e não possuem um sistema de fecho rápidomanual para pré-tensionamento de modo a liberar o operador para executar otorqueamento com finalidade de se obter o tensionamento recomendado da cinta. Alémde acrescentar uma parcela de peso considerável e indesejada ao sistema, suaflutuabilidade negativa faz com que a braçadeira afunde em caso de desprendimento dacoluna. Isso pode fazer com que a braçadeira caia na região da boca do poço, criandoum risco operacional. No plano ecológico a flutuabilidade negativa das braçadeirastambém é indesejável, pois torna mais complexo o trabalho de recolher braçadeiras quetenham se desprendido da coluna.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção soluciona os inconvenientes do estadoda técnica atual através da alteração do formato e emprego de dois tipos de braçadeiras

- para mar aberto e outra para inserção no tubo (casing) - e com cinta e fecho rápidometálico para pré-tensionamento para uma montagem alinhada e correta e posteriortensionamento final.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A presente invenção será mais bem caracterizada com basenas figuras anexas, onde:

- A Figura 1 é uma vista em de uma braçadeira para mar aberto de acordo com apresente invenção, contemplando a extremidade onde se localiza a cinta e fecho rápido eo parafuso de fechamento;

- A Figura 2 é uma vista de uma braçadeira para inserção no tubo (casing) mar aberto deacordo com a presente invenção, contemplando a extremidade onde se localiza a cinta efecho rápido e o parafuso de fechamento;

- A Figura 3 é uma vista do fecho rápido e os elementos fixadores da braçadeira deacordo com a presente invenção;

- A Figura 4 é uma vista em explodida dos elementos fixadores da braçadeira de acordocom a presente invenção;

- A Figura 5 é uma vista em perspectiva de uma cinta de material sintéticopreferencialmente de poliéster de acordo com a presente invenção, contemplando aextremidade o fecho rápido da braçadeira; e

-A Figura 6 é uma vista ampliada em perspectiva de um trecho da braçadeira,contemplando a montagem da cinta no corpo.DESCRIÇÃO DE UMA REALIZAÇÃO PREFERENCIAL

Com base nas figuras anexas, observa-se que a presenteinvenção compreende um conjunto de braçadeira de alta resistência mecânicaconstituída por um corpo (1), preferencialmente moldado em borracha nitrílica, EPDM(terpolímero de etileno-propileno-dieno) e/ou PU (borracha de poliuretano). O fato de ocorpo (1) ser preferencialmente moldado em borracha lhe faculta a propriedade deproteger os cabos (umbilicais) dos impactos e movimentações durante o lançamento dacoluna.

O referido corpo (1) apresenta um rasgo de abertura (17)que permite a instalação da cinta no corpo (1) da braçadeira quando da montagem. Ofechamento da braçadeira é realizado por meio do aperto de um único parafuso (2)montado no fecho rápido. O referido parafuso (2) apresenta desenho de cabeça padrãoAllen e é preferencialmente forjado em aço inoxidável, alumínio e ou compósito. Oencaixe do parafuso nos roletes é do tipo roscado no rolete (8) e furo passante rolete norolete (6) de modo que quando o parafuso estiver tensionado não permite o seu escapedo elo (3).

O conjunto de elementos do fecho rápido é composto porelos montados na cinta por meio de maquina de costura. O fecho na sua parte centralpossui dois roletes para fixação do parafuso sendo que um rolete metálico (8) queapresenta na sua porção central um orifício (7) dotado de rosca. O referido orifício (7) éatravessado pelo parafuso (2) quando da montagem da braçadeira. O parafuso (2)atravessa à montante do orifício passante do rolete (6), uma arruela de apoio (5) e depoisencaixado no alça (3) com através de ganchos. O mesmo parafuso (2) atravessa àjusante do orifício roscado (7), um anel de travamento cônico (15). O rolete (6) apresentaformato cilíndrico e gira livremente dentro do elo (14) da braçadeira, permitindo com issoo giro (da ordem de 180°) do conjunto de fechamento composto pelo parafuso (2), arruela(5), rolete (6) e anel de travamento cônico (15) quando da abertura da braçadeira,preservando assim a unidade do conjunto e eliminando o risco dedesprendimento/separação entre o conjunto de fechamento e a cinta (4) da braçadeira.

Quando o conjunto de elementos fixadores está montado, aarruela de apoio (5) fica disposta entre os roletes metálicos (6) e (8) e a cabeça doparafuso (2), distribuindo assim o esforço de aperto do parafuso (2) de maneira uniformecontra o rolete (6).

O movimento de giro acidental do parafuso (2) fica impedidopelo atrito entre a arruela de apoio (5) e o rolete metálico (8) e também pelo atrito entre arosca do parafuso (2) e a do orifício (7). Já o movimento de translação acidental doparafuso (2) fica impedido pelo travamento oferecido pelo encaixe tipo gancho do elo (3)e rolete metálico (8), que fica montado da cinta (4) da braçadeira.

O anel de travamento cônico (15), instalado após o apertodo parafuso (2), constitui um dispositivo adicional de segurança, servindo para impedir aabertura completa da braçadeira devido a um possível afrouxamento indesejado doparafuso (2). Seu formato cônico faz com que, uma vez encaixado na extremidade doparafuso (2), permaneça retido por interferência, impedindo assim a retirada do parafusoe eliminando o risco de desprendimento acidental do conjunto de fechamento em relaçãoao corpo (1) da braçadeira.

O elo articulado (10) é fixado através do pino (9) no elo (14)permitindo o seu giro em relação ao elo (14) em aproximadamente 180 graus, o quepermite a montagem manual do parafuso no encaixe do rolete (8) no encaixe tipo ganchoelo (3) .Quando o elo (10) é colocado na posição aberta é realizado com facilidade oencaixe do rolete (8) no elo (3). Em seguida o elo (10) é girado manualmente para aposição fechada promovendo um pré-tensiomento da cinta facilitando a montagem dabraçadeira e liberando o operador para realizar o torqueamento do parafuso. Como o pré-tensionamento manual é impreciso, o elo (10) do fecho foi dimensionado de forma apermitir o acesso para torqueamento na faixa de torque especificada da cabeça doparafuso allen (2). Ressaltamos que somente através do torqueaménto do parafuso,podemos garantir o tensionamento preciso e recomendado da cinta da braçadeira, devidohaver uma relação direta entre torqueamento e a força de tensionamento da cinta.

Os corpos (1) (11) das braçadeiras apresentam alojamentos(12),(13) e um vão central (16), respectivamente destinados a envolver a mangueiraeletrohidráulica, o cabo elétrico e a coluna de prospecção/produção. Estes elementos sãoespecificamente dimensionados de modo a promover o aperto adequado da braçadeira eimpedir o seu afrouxamento acidental em serviço.

A cinta empregada (4) na braçadeira é fabricadapreferencialmente com fios de poliéster e ou kevlar e encaixada no corpo de poliuretano ada braçadeira através de encaixe (17). A cinta pode ser revestida e ou impregnada commateriais flexíveis do tipo borracha de forma a impermeabilizá-la e evitar a absorção deágua.

O fato de os corpos (1) e (11) das braçadeiras seremmoldados preferencialmente em borracha traz vantagens específicas. A borracha doscorpos (1) e (11) das braçadeiras da presente invenção protege os umbilicais contra odesgaste mecânico, além de promover uma maximização do atrito entre a braçadeira eas peças que fazem contato com ela, o que é positivo em vista da função da braçadeira.

Outro aspecto importante a considerar é o fato de se utilizarmateriais dissimilares no parafuso (2), como, por exemplo, aço inox austenítico, e norolete (6), por exemplo, aço inox martensítico. O objetivo é evitar a ocorrência de micro-soldagem entre as duas faces da rosca, que ocorre em função da pressão de aperto. Aocorrência da referida micro-soldagem dificultaria sobremaneira a manobra deafrouxamento intencional do parafuso (2) quando da abertura da braçadeira.

DISPOSIÇÕES ALTERNATIVAS DA PRESENTE INVENÇÃO

Uma disposição alternativa da presente invenção contemplaa substituição da cinta (4), elos e parafusos por outros materiais que apresentam altaresistência mecânica e densidade mais baixa. Podem também ser empregados parasubstituir a cinta poliéster (4), fibras de kevlar, fibras de carbono, .

A cinta de material sintético (4) envolve o corpo (1) dabraçadeira de modo a evitar o seu afrouxamento, sendo o seu comprimento o menorpossível que permita à braçadeira envolver a coluna de prospecção/produção junto comos seus cabos e condutos. Vale observar a importância em manter o comprimento totalda cinta o menor possível, pois quanto mais curta for a cinta, menor o risco dedesenvolvimento de folga que gere o afrouxamento da braçadeira.

A braçadeira de acordo com a presente invenção contemplaincorporações alternativas, como, por exemplo, o uso de borrachas com diferentescomposições para moldagem dos corpos (1) e (11). Entre outras, as diferentes borrachasutilizadas incluem borracha nitrílica, EPDM, PU poliuretano, borracha de silicone eborracha PU poliuretano com micro-esferas ocas de vidro e ou cerâmica.

Além disso, considerando a importância do índice deflutuabilidade para a aplicação específica da braçadeira, esta pode ser controlada atravésdo controle do volume, da densidade aparente da braçadeira e de seu peso.Considerações de risco ecológico, por exemplo, conferem vantagem a uma braçadeiraque flutue, uma vez que isso facilita a sua recuperação quando esta se separa da colunapor algum motivo. Uma opção para agregar flutuabilidade á braçadeira seria o uso deuma mistura de borracha e micro-esferas de vidro na moldagem do corpo (1) dabraçadeira. Uma das possíveis misturas envolveria borracha de poliuretano (PU) e micro-esferas de vidro de alta resistência mecânica do tipo S38 XHS. Neste caso a função dasmicro-esferas de vidro seria apenas reduzir a densidade equivalente da braçadeira, e aproporção de micro-esferas de vidro seria da ordem de 40% em volume. A densidade dopoliuretano varia de 1,09 a 1,2 e a densidade das micro-esferas ocas de vidro e oucerâmica fica na faixa de 0,32 a 0,50. Com isso a densidade equivalente do composto PUcom micro-esferas ocas de vidro do tipo S38 XHS e/ou esferas ocas de cerâmica 150Mfica numa faixa de 0,81 a 0,85.

Tanto as braçadeiras para aplicação em mar aberto, quantoas para inserção no tubo (casing) podem ser fabricadas com o composto de PU e micro-esferas ocas de vidro com o objetivo de promover a sua flutuabilidade.

A presente invenção oferece múltiplas vantagens emcomparação ao estado da técnica atual. O emprego de fecho rápido para pré-tensionamento manual da braçadeira resulta em maior facilidade de montagem à colunade prospecção/produção. Desta forma a execução do torqueamento do parafuso éfacilitada e garante maior precisão, reduzindo de forma significativa o risco dedesprendimento ou escorregamento acidental da braçadeira.

Outra vantagem da presente invenção é que a braçadeiraspara mar aberto e para inserção no tubo (casing) empregam o mesmo tipo de cinta efecho rápido manual, elas diferem entre si somente quanto a forma do corpo (1) e (11) deborracha de poliuretano. A braçadeira para inserção é composta de duas partes (11) emborracha de poliuretano e tem formato para permitir a centralização do tuboprospecção/exploração quando inserido no tubo (casing).

Ainda outra vantagem da presente invenção é que adisposição dos roletes (6) e (8) dos elos (3), (10) da braçadeira e seu formato cilíndricopermitem o giro (da ordem de 180°) do conjunto de fechamento da braçadeira,preservando assim a unidade do conjunto e contornando o risco dedesprendimento/separação entre o conjunto de fechamento e o corpo (1) da braçadeira.

Além disso, a disposição do anel de travamento cônico (15), instalado no parafuso (2),constitui um dispositivo adicional de segurança, servindo para impedir o seudesprendimento da braçadeira devido a um possível afrouxamento indesejado doparafuso (2).

Finalmente, outra vantagem da presente invenção é que adisposição geométrica dos ganchos do elo (3) e do rolete (8) do elo (3) otimiza adistribuição das tensões de fechamento quando do aperto do parafuso e facilita amontagem (2) da braçadeira.

Aqueles versados na técnica irão observar o fato de que adescrição de uma das incorporações preferenciais feita acima não limita a aplicação dapresente invenção a braçadeiras com as características descritas, podendo ser aplicadaa outros dispositivos de fixação similares sem fugir ao escopo e espírito inventivocontemplado pelas reivindicações apensas.

Claims (9)

1. Braçadeiras de fixação para coluna de prospecção eprodução de petróleo e gás do tipo mar aberto e para inserção em tubo (casing)caracterizado por compreender um corpo (1) (11), dotado de alojamentos (12) e (13) eum vão central (16), sendo o referido corpo (1) e (11) feito preferencialmente de borrachanitrílica, EPDM (terpolímero de etileno-propileno-dieno) e/ou PU (borracha depoliuretano), dotado de um corpo de borracha de poliuretano (1) e (11) e cintaspreferencialmente de poliéster (4), sendo que numa das extremidades das cintas sãocosturados elos do fecho metálico onde são montados roletes (6) e (8) cuja orientação éperpendicular àquela do eixo de inserção de um parafuso (2) que atravessasucessivamente uma arruela de apoio (5), um rolete metálico (6) em forma de cilindro Ique apresenta na sua porção central um orifício (7) dotado de rosca, que por sua vez éatravessado pelo referido parafuso (2), em cuja extremidade se dispõe um anel detravamento cônico (15), sendo que o referido rolete metálico (6) gira livremente ,permitindo com isso o giro da ordem de 180° do conjunto de fechamento formado peloparafuso (2), arruela de apoio (5) e anel de travamento cônico (23) sem que estes seseparem do corpo (1) da braçadeira; sendo que no outro elo há ganchos onde se insere orolete (8), permitido que seja executado o pre-tensionamento manual da cinta.

2. Braçadeira de acordo com a presente reivindicação 1,caracterizada pelo fato de se empregar dois tipos de braçadeira para um mesma colunade produção/prospecção.

3. Braçadeira de acordo com a presente reivindicaçãocaracterizada pelo fato de se empregar um fecho para montagem rápida

4. Braçadeira de acordo com a presente reivindicação 1 ou-2, caracterizada pelo fato de se empregar um fecho para montagem rápida com pré-tensionamento manual e permitir o tensionamento recomendado da cinta portorqueamento do parafuso.

5. Braçadeira de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizada pelo fato de que o parafuso (2) é único e pode girar de até 180° em tornodo eixo longitudinal do rolete (6) quando da abertura da braçadeira, ficando a suaseparação em relação ao conjunto impedida por ação do referido anel de travamentocônico (15).

6. Braçadeira de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizada pelo fato de se utilizarem materiais dissimilares no parafuso (2), como porexemplo, aço inox austenítico, e no rolete (6), por exemplo aço inox martensítico.

7. Braçadeira de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizada pelo fato de que o anel de travamento cônico (15) é instalado após oaperto do parafuso (2) e uma vez instalado tem sua retirada impedida por ação deinterferência.

8. Braçadeira de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizada pelo fato de empregar cinta poliéster (6) material mais leve e resistente,preferencialmente do que a metálica.

9. Braçadeira de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizada pelo fato de empregar corpo em borracha com esferas de vidro ocaspermitindo a flutuabilidade das braçadeiras.